В органической химии нитрил — это любое органическое соединение , которое имеет функциональную группу − C ≡ N. Название соединения состоит из основания, которое включает углерод − C≡N , с суффиксом «нитрил», так, например, CH 3 CH 2 C≡N называется « пропионитрил » (или пропаннитрил). [1] Префикс циано- используется взаимозаменяемо с термином нитрил в промышленной литературе. Нитрилы встречаются во многих полезных соединениях, включая метилцианоакрилат , используемый в суперклее , и нитриловый каучук , нитрилсодержащий полимер , используемый в безлатексных лабораторных и медицинских перчатках . Нитриловый каучук также широко используется в качестве автомобильных и других уплотнений, поскольку он устойчив к топливу и маслам. Органические соединения, содержащие несколько нитрильных групп, известны как цианоуглероды .
Неорганические соединения, содержащие группу −C≡N , называются не нитрилами, а цианидами . [2] Хотя и нитрилы, и цианиды могут быть получены из солей цианидов, большинство нитрилов не столь токсичны.
Геометрия N−C−C линейна в нитрилах, что отражает sp-гибридизацию тройной связи углерода. Расстояние C−N короткое и составляет 1,16 Å , что соответствует тройной связи . [3] Нитрилы полярны, на что указывают высокие дипольные моменты. Как жидкости, они имеют высокие относительные диэлектрические проницаемости , часто в 30-х.
Первое соединение гомологичного ряда нитрилов, нитрил муравьиной кислоты , цианистый водород был впервые синтезирован К. В. Шееле в 1782 году. [4] [5] В 1811 году Ж. Л. Гей-Люссак смог приготовить очень токсичную и летучую чистую кислоту. [6] Около 1832 года Фридрих Вёлер и Юстус фон Либих приготовили бензонитрил , нитрил бензойной кислоты , но из-за минимального выхода синтеза не были определены ни физические, ни химические свойства, а также предложена структура. В 1834 году Теофиль-Жюль Пелуз синтезировал пропионитрил , предположив, что это эфир пропионового спирта и синильной кислоты. [7] Синтез бензонитрила Германом Фелингом в 1844 году путем нагревания бензоата аммония был первым методом, дающим достаточно вещества для химических исследований. Фелинг определил структуру, сравнив свои результаты с уже известным синтезом цианида водорода путем нагревания формиата аммония . Он придумал название «нитрил» для новооткрытого вещества, которое стало названием для этой группы соединений. [8]
В промышленном отношении основными методами получения нитрилов являются аммоксидирование и гидроцианирование . Оба способа являются зелеными в том смысле, что они не производят стехиометрических количеств солей.
При аммоксидации углеводород частично окисляется в присутствии аммиака . Это преобразование практикуется в больших масштабах для акрилонитрила : [9 ]
При производстве акрилонитрила побочным продуктом является ацетонитрил . В промышленных масштабах методом аммоксидации получают несколько производных бензонитрила , фталонитрила , а также изобутиронитрила. Процесс катализируется оксидами металлов и, как предполагается, протекает через имин.
Гидроцианирование — это промышленный метод получения нитрилов из цианистого водорода и алкенов. Для этого процесса требуются гомогенные катализаторы . Примером гидроцианирования является производство адипонитрила , предшественника нейлона-6,6 из 1,3-бутадиена :
Реакции метатезиса двух солей популярны для лабораторных масштабных реакций. В синтезе нитрила Кольбе алкилгалогениды подвергаются нуклеофильному алифатическому замещению цианидами щелочных металлов . Арильные нитрилы получают в синтезе Розенмунда-фон Брауна .
В общем, цианиды металлов объединяются с алкилгалогенидами, давая смесь нитрила и изонитрила , хотя соответствующий выбор противоиона и температуры может минимизировать последний. Алкилсульфат полностью устраняет проблему, особенно в неводных условиях (синтез Пелуза). [5]
Циангидрины — это особый класс нитрилов. Классически они получаются в результате присоединения цианидов щелочных металлов к альдегидам в реакции циангидрина . Из-за полярности органического карбонила эта реакция не требует катализатора, в отличие от гидроцианирования алкенов. O-силилциангидрины образуются путем присоединения триметилсилилцианида в присутствии катализатора (силилцианирование). Циангидрины также получаются с помощью реакций трансциангидрина, начиная, например, с ацетонциангидрина в качестве источника HCN. [10]
Нитрилы могут быть получены путем дегидратации первичных амидов . Обычные реагенты для этого включают пентоксид фосфора (P2O5 ) [ 11 ] и тионилхлорид ( SOCl2 ). [12] При связанной дегидратации вторичные амиды дают нитрилы путем деградации амида фон Брауна . В этом случае разрывается одна связь CN .
Существует множество традиционных методов получения нитрила путем окисления амина . [13] Кроме того, в последние десятилетия было разработано несколько селективных методов для электрохимических процессов. [14]
Превращение альдегидов в нитрилы через альдоксимы является популярным лабораторным путем. Альдегиды легко реагируют с солями гидроксиламина , иногда при температурах, близких к температуре окружающей среды, с образованием альдоксимов. Их можно дегидратировать до нитрилов простым нагреванием, [15] хотя в этом может помочь широкий спектр реагентов, включая триэтиламин / диоксид серы , цеолиты или сульфурилхлорид . Родственная гидроксиламин-O-сульфоновая кислота реагирует аналогичным образом. [16]
В особых случаях можно использовать реакцию Ван Лейзена . Также эффективны биокатализаторы, такие как алифатическая альдоксимдегидратаза .
Ароматические нитрилы часто готовятся в лаборатории из анилина через соединения диазония . Это реакция Зандмейера . Для нее требуются цианиды переходных металлов. [17]
Нитрильные группы в органических соединениях могут подвергаться различным реакциям в зависимости от реагентов или условий. Нитрильная группа может быть гидролизована, восстановлена или выброшена из молекулы в виде цианид-иона.
Гидролиз нитрилов RCN протекает в отдельных стадиях при кислотной или щелочной обработке, давая сначала карбоксамиды RC(O)NH 2 , а затем карбоновые кислоты RC(O)OH . Гидролиз нитрилов до карбоновых кислот является эффективным. В кислотной или щелочной среде сбалансированные уравнения следующие:
Строго говоря, эти реакции опосредуются (а не катализируются ) кислотой или основанием, поскольку один эквивалент кислоты или основания расходуется на образование аммонийной или карбоксилатной соли соответственно.
Кинетические исследования показывают, что константа скорости второго порядка для катализируемого гидроксид-ионами гидролиза ацетонитрила в ацетамид составляет 1,6 × 10−6 М −1 с −1 , что медленнее, чем гидролиз амида до карбоксилата (7,4 × 10−5 М −1 с −1 ). Таким образом, путь основного гидролиза даст карбоксилат (или амид, загрязненный карбоксилатом). С другой стороны, реакции, катализируемые кислотой, требуют тщательного контроля температуры и соотношения реагентов, чтобы избежать образования полимеров, чему способствует экзотермический характер гидролиза. [28] Классическая процедура преобразования нитрила в соответствующий первичный амид требует добавления нитрила к холодной концентрированной серной кислоте . [29] Дальнейшее преобразование в карбоновую кислоту затруднено низкой температурой и низкой концентрацией воды.
Два семейства ферментов катализируют гидролиз нитрилов. Нитрилазы гидролизуют нитрилы до карбоновых кислот:
Нитрилгидратазы — это металлоферменты , гидролизующие нитрилы до амидов.
Эти ферменты используются в коммерческих целях для производства акриламида .
«Безводная гидратация» нитрилов в амиды была продемонстрирована с использованием оксима в качестве источника воды: [30]
Нитрилы восприимчивы к гидрированию над различными металлическими катализаторами. Реакция может давать либо первичный амин ( RCH 2 NH 2 ), либо третичный амин ( (RCH 2 ) 3 N ), в зависимости от условий. [31] В обычных органических восстановлениях нитрил восстанавливается путем обработки алюмогидридом лития до амина. Восстановление до имина с последующим гидролизом до альдегида происходит в синтезе альдегида Стефана , который использует хлорид олова в кислоте.
Алкилнитрилы достаточно кислые, чтобы подвергаться депротонированию связи CH, смежной с группой C≡N . [32] [33] Требуются сильные основания, такие как диизопропиламид лития и бутиллитий . Продукт называется нитрил-анионом . Эти карбанионы алкилируют широкий спектр электрофилов. Ключом к исключительной нуклеофильности является небольшая стерическая потребность в единице C≡N в сочетании с ее индуктивной стабилизацией. Эти особенности делают нитрилы идеальными для создания новых углерод-углеродных связей в стерически сложных средах.
Углеродный центр нитрила является электрофильным , поэтому он восприимчив к реакциям нуклеофильного присоединения :
Нитрилы являются предшественниками комплексов нитрилов переходных металлов , которые являются реагентами и катализаторами. Примерами являются тетракис(ацетонитрил)медь(I)гексафторфосфат ( [Cu(MeCN) 4 ] + ) и бис(бензонитрил)палладийдихлорид ( PdCl2 (PhCN) 2 ). [40]
Цианамиды представляют собой N -цианосоединения с общей структурой R 1 R 2 N−C≡N и родственные исходному цианамиду . [41]
Нитрильные оксиды имеют химическую формулу RCNO . Их общая структура - R−C≡N + −O − . R обозначает любую группу (обычно органил , например, ацетонитрил оксид CH 3 −C≡N + −O − , водород в случае фульминовой кислоты H−C≡N + −O − , или галоген (например, фульминат хлора Cl−C≡N + −O − ). [42] : 1187–1192
Нитрилоксиды сильно отличаются от нитрилов: они являются высокореакционноспособными 1,3-диполями и не могут быть синтезированы прямым окислением нитрилов. [43] Вместо этого их можно синтезировать дегидрированием оксимов или дегидратацией нитроалканов ; [44] : 934–936 Они используются в 1,3-диполярных циклоприсоединениях , [42] : 1187–1192 например, к изоксазолам . [44] : 1201–1202 Они подвергаются диотропной перегруппировке типа 1 в изоцианаты . [42] : 1700
Более тяжелые сульфиды нитрила чрезвычайно реактивны и редки, но временно образуются во время термолиза оксатиазолонов . Они реагируют аналогично оксидам нитрила. [45]
Нитрилы встречаются в природе в разнообразных растительных и животных источниках. Более 120 природных нитрилов были выделены из наземных и морских источников. Нитрилы обычно встречаются в косточках фруктов, особенно миндаля, и во время приготовления капустных культур (таких как капуста, брюссельская капуста и цветная капуста), которые выделяют нитрилы посредством гидролиза. Манделонитрил , циангидрин, получаемый при употреблении миндаля или некоторых фруктовых косточек, выделяет цианистый водород и отвечает за токсичность цианогенных гликозидов. [46]
В настоящее время на рынке представлено более 30 нитрилсодержащих фармацевтических препаратов для самых разных медицинских показаний, а более 20 дополнительных нитрилсодержащих препаратов находятся в стадии клинической разработки. Типы фармацевтических препаратов, содержащих нитрилы, разнообразны: от вилдаглиптина , противодиабетического препарата, до анастрозола , который является золотым стандартом в лечении рака молочной железы. Во многих случаях нитрил имитирует функциональность, присутствующую в субстратах для ферментов, тогда как в других случаях нитрил увеличивает растворимость в воде или снижает восприимчивость к окислительному метаболизму в печени. [47] Функциональная группа нитрила встречается в нескольких препаратах.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ); Собрание томов , т. 6, стр. 307.